基于STEM教育的雙足行走機器人制作應用研究

楊亭 田世鋒 李輝輝

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》強調提高學生勇于探索的創新精神和善于解決問題的實踐能力。如今機器人技術已廣泛滲透到人們生活、學習等各領域。機器人智能技術能夠通過解決實際問題激發學生對于計算機學科、科學、技術、工程設計和數學的興趣，是培養學生的創新思維、科學品質、探索精神、實踐能力為目標的學科。隨著互聯網和信息技術的飛速發展，數字技術與教育不斷融合，學生的培養從應試能力向立足于學生全面發展的綜合素質培養轉變是教育發展的趨勢。

機器人取代勞動力已經成為必然，人才培養市場的競爭催生了教育機器人的快速發展。國內外一些企業紛紛生產教育機器人或教學平臺，如SmartCar、SUUNY618、博思威科教育機器人等均已投入市場。但以企業牽頭推動發展教育機器人產業，大多自成體系，標準不統一，商業化嚴重，開放度低。機器人教學的“教材”屬于“產品說明書”或“用戶指南”式的居多，缺少課程與教育教學專家的參與和指導，而基于STEM教育的雙足行走機器人制作應用研究是各學科工程技術人員創意的交流融合、多學科知識的跨界整合，對培養學生的探索能力、協作能力和創新能力具有促進作用，因此，進行基于STEM教育的雙足行走機器人制作應用研究以適應中職學生的“做學結合”學習特點來推廣控制機器人的相關技術應用，提高學生的培育質量就很有必要。

在國外，機器人教育一直是個熱點，早在1994年麻省理工學院（MIT）就設立了“設計和建造 LEGO 機器人”課程（Martin），目的是提高工程設計專業學生的設計和創造能力，嘗試機器人教育與理科實驗的整合;麻省理工學院媒體實驗室“終身幼兒園”項目小組開發了各種教學工具，通過與著名積木玩具商樂高公司的緊密合作，該項目組開發出可編程的樂高玩具，幫孩子們學會在數字時代怎樣進行設計活動。

國內也已有一些企業和公司可以生產教育機器人或教學平臺。如北京水木寰虹教育公司的i奇機器人，有著自己獨創的易學編譯平臺，并將機器人教育理念深入到小學、中學、大學各個層次。

教育機器人雖然已經有了不少，但是對于廣大的機器人愛好者來說，這并不是他們的首選。他們喜歡自己選擇零件，自己設計電路板，自己編寫程序，從頭到尾自己設計出一套機器人來。

一、研究內容及方法

1.研究內容

首先，基于STEM模式的跨界雙足行走機器人的設計研制，包括人文藝術元素的模型設計、模具制作、外殼3D打印成型，金屬連接件制作，控制電路板的設計制作，各類電機、舵機、傳感器、控制器的原理應用、安裝調試，針對中職學生特點的可視圖形化編程軟件的開發調試，過程成本的核算控制等。

其次，科學規劃適合中職學生學習訓練的機器人教學方法，開展職業學校學生創新教育研究。

（1）規范中職學生工程技術能力。機器人是一門綜合交叉的學科，涉及機械、3D打印、人工智能、電子、運動學、傳感檢測、計算機技術等學科，是激發中職學生動手學習的有效方法。同時機器人結構設計很好地體現了工程的標準化及規范化。在機器人制作中，指導中職學生學習使用標準化組件和芯片;訓練優化算法;理解機器人的工作方式，解除學生對機器人的神秘感，激發其創新能力，為他們提供“用知識”的機會，努力將他們的奇思妙想激發出來。

（2）培養學生團隊意識，增強其協作精神。當今社會大環境要求學生具備較強的合作能力。現在中職學生大多自覺自律不足，團隊合作意識欠缺，機器人制作涉及的知識面很廣泛，不可能一個人獨立完成所有任務，需要多人協作。教師應教會中職學生在協作中相互探索，將有用的信息和其他成員共享，讓學生在實踐中去感受，學會容忍伙伴的缺點與不足，去體驗團結協作的力量。

第三，研究培養一支適合未來教育教學的STEM教學應用型和創新型人才隊伍，以適合職業技術教育中STEM課程的順利開發和開展。

2.研究方法

依據STEM教育實踐課題建設研究總項目及基于STEM教育的雙足行走機器人制作應用研究子項目的研究思路，制定該子項目建設技術路線，如圖1所示。

二、制作雙足行走機器人的STEM教育

1.硬件設計

（1）腿部

機器人的雙腿可由舵機和若干支架連接而成，如圖2所示。教師引導各個小組學生參考人類腿部特征，每個可活動關節處應該配置一個舵機。接下來，讓各個小組進行討論，設計并組裝機器人腿部。允許學生根據自身需要來設計腿部的高度、關節個數、關節的可活動范圍等，從而組裝出不同的機器人腿部。

（2）軀干

教師先組織學生討論如何將機器人兩條獨立的腿有機地結合起來。軀干部分主要由橫梁、肩部支架和角鋁等元件構成，這些元件可根據自身需要進行不同尺寸和形狀的裁剪。與此同時，教師要組織學生探索機器人兩條腿之間的距離應該多大最為合適。再組織學生討論如何將所需的元件加工出來。如圖3所示，是學生使用鉗工設備、鉆孔機等加工出來的橫梁、肩部支架、角鋁。

接下來，教師則組織學生進行機器人軀干部分的組裝。如圖4所示，機器人的雛形初步形成。

（3）電路板

教師引導學生認識電路板的作用：一方面解決機器人舵機、單片機、傳感器等用電器的供電問題;另一方面確保舵機與單片機之間的通信順暢。電路板制作主要包括三方面的內容：設計電路原理圖，焊接實際電路，將電路板安裝到機器人上去。為獲得最佳電路，在制作電路時，教師組織學生進行充分的討論。如圖5所示，是學生制作出來的雙足行走機器人的最終效果圖。

2.軟件編程及其調試

教師先引導學生探索人類在步行走路時各關節的動作分解，必要時可以讓學生親自走幾步來對走路原理進行探究。讓學生認識到人類走路其實是各個關節之間先后轉動，并且連貫地組合在一起而成的。再組織學生通過C語言編程，讓單片機控制各個舵機的協同轉動，從而讓機器人模仿人的動作步行走路。

在調試過程中，機器人在雙足行走時可能并不順暢，甚至容易摔倒。此時，教師組織學生探索影響機器人正常走路的因素，并探索相應的解決辦法，從而改進機器人步行走路的穩定性能。

3.后續完善

當機器人可以模仿人類走路以后，教師則組織學生討論和探索如何賦予機器人更多“人”的元素。例如，運用3D打印技術給機器人上裸露的電路板和舵機支架安裝外罩，使其看起來更像一個人，再給機器人安裝傳感器，使其可以感知周圍的環境。

4.實驗結果

（1）該研究組織4組學生進行雙足行走機器人的制作，每組3～5個中職學生，有一年級的學生，也有二年級的學生。其中有3組學生完成機器人的制作，并且能讓機器人較為平穩地模仿人類的動作步行走路。剩余一組未能完成制作的學生因為中途參加實習而耽誤了部分課程，并且均是來自一年級的學生，他們還沒有完成電路設計和軟件編程等課程系統學習。

（2）每組學生在制作機器人的過程中，能夠積極溝通，一起查找資料解決問題。同時，組員之間也能做到分工合作，優勢互補，確保項目順利完成。

（3）教師主要是起到引導和把控局面的作用，課堂的真正主角是學生。

三、結束語

（1）該研究著重點在于通過制作雙足行走機器人，來研究適合中職學生的STEM教育。

（2）該研究學生在制作機器人的過程中，能夠做到各抒己見，極大地發揮自己的想象力和創造力，積極為團隊貢獻力量。同時，在機器人的制作過程中學生能較好地結合機械、電氣、人文藝術、3D打印等學科知識，充分體現了STEM教育跨學科的特點。

（3）該研究能較好地形成基于STEM教育的雙足行走機器人研究制作開發教學平臺，該教學平臺可應用于中職學生職業教育。

（4）通過該研究能夠培養出2～3名適合未來教育教學的STEM教學應用型和創新型人才。雖然在課堂上教師的角色有所淡化，但是每節課都是經過多位教師集體備課、精心準備的結晶。

[基金項目：該研究為廣東省教育科學規劃課題“學校STEM課程建設研究”（課題批準號2019YQJK580）成果。]

責任編輯?陳春陽